WO2014064010A1 - Membran-elektroden-anordnung, brennstoffzelle mit einer solchen und kraftfahrzeug mit der brennstoffzelle - Google Patents

Membran-elektroden-anordnung, brennstoffzelle mit einer solchen und kraftfahrzeug mit der brennstoffzelle Download PDF

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Benno Andreas-Schott
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising a membrane-electron assembly and a seal.
  • the invention relates to a
  • Fuel cell comprising a plurality of inventive membrane electrode assemblies and a motor vehicle with such a fuel cell.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as a core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting membrane and one, both sides of the membrane disposed electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • PEM Polymer electrolyte membranes
  • Polymer electrolyte exists.
  • acid-modified polymers in particular perfluorinated polymers
  • the most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether).
  • the electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of water is a prerequisite for the proton conductivity and moistening of the operating gases is required during operation of the P em fuel cell. Due to the need for water, the maximum operating temperature of this is
  • High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEM fuel cells) whose electrolytic conductivity to a by electrostatic complex binding to a
  • Polymer skeleton of the polymer electrolyte membrane bound electrolyte is based (for example, phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes) and operated at temperatures of 160 ° C, this type of fuel cell is also referred to as low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).
  • PBI polybenzimidazole
  • N-PEM fuel cell low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell
  • the fuel cell is formed by a plurality of individual cells arranged in the stack, so that it is referred to as a fuel cell stack.
  • a fuel cell stack As mentioned in the introduction, the fuel cell is formed by a plurality of individual cells arranged in the stack, so that it is referred to as a fuel cell stack.
  • so-called bipolar plates are arranged between the membrane-electrode units, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants and usually also a cooling liquid.
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • Seals are arranged between the membrane-electrode assemblies and the bipolar plates, which seal the anode and cathode compartments to the outside and prevent leakage of the operating media from the fuel cell stack.
  • the seals may be provided by the membrane-electrode assemblies and / or the bipolar plates, and
  • the seal can be vulcanized on one or both sides of the bipolar plate. Furthermore, the seal can be applied in the form of a sealing bead on the bipolar plate by means of a robot.
  • the seal applied with the robot can have considerable tolerances, which can lead to leaks. This problem has been z. B. counteracted by a process optimization of the application of the sealing bead with the robot.
  • the membrane can be sandwiched between two films coated with an adhesive
  • a UEA unitized electrode assembly
  • MEA electrolyte membrane
  • a barrier film is disposed between a gasket surrounding the UEA and the chemically active region around a chemically active region.
  • the blocking film may overlap the MEA outside the active area.
  • the barrier film can serve as a carrier for the seal and in particular be designed in one piece with this.
  • the MEA may be coupled to the barrier film by means of a chemical adhesive.
  • connection configuration a connection film cover one end of the electrolyte membrane.
  • WO 2010/1 14139 describes a manufacturing method for a fuel cell and fuel cell modules of the fuel cell.
  • the fuel cell comprises electrode units which each comprise an MEA, and on the anode side and on the cathode side of the MEA each comprise a porous layer.
  • the MEA again comprises an electrolyte membrane and a catalytic anode and cathode layer.
  • the porous layer comprises one each, facing the MEA
  • Gas diffusion layer made of carbon paper
  • a gas flow path made of sintered
  • Bipolar plates each comprising three steel layers.
  • Separators and these contacting are arranged frame-shaped seals, which enclose the electrode units.
  • first a first unit comprising a separator and an outer frame of the frame-shaped seal and a second unit comprising the Formed electrode unit and an inner frame of the frame-shaped seal.
  • the inner frame is used together with the electrode unit in the outer seal.
  • the electrode unit can also be used directly in a unit comprising the separator and the frame-shaped seal.
  • WO 2010/1 14140 A1 discloses a manufacturing method for a cell arrangement of a fuel cell.
  • the structure of the fuel cell is substantially analogous to the structure of WO 2010/114139.
  • the electrode unit, the separator, and a seal preform having a frame shape are manufactured.
  • Electrode unit, the separator and the sealing preform are in one
  • Forming tool comprising a pressing device arranged. By means of pressure and heat, the individual parts are joined together in the forming tool.
  • the invention is based on the object to provide a membrane-electrode assembly, which can be made easier.
  • the membrane electrode assembly according to the invention for a fuel cell comprises a membrane-electrode assembly with a membrane and with two, the membrane on both sides contacting surface electrodes.
  • the membrane electrode assembly comprises a, the membrane circumferentially enclosing and with this overlapping seal carrier.
  • the membrane electrode assembly comprises a connecting layer, which overlaps circumferentially with the membrane and with the seal carrier, wherein on the same flat side of the connecting layer, an inner edge portion of the connecting layer with the membrane electrode unit and an outer edge portion of the connecting layer with the seal carrier materially connected is.
  • the membrane-electrode assembly also includes a seal connected to the seal carrier outside the membrane.
  • the membrane is typically a proton-conducting membrane (polymer electrolyte membrane).
  • the electrodes form an anode and a cathode and can on both sides of the
  • connection layer is typically cohesively connected to the membrane and / or an electrode of the membrane-electrode assembly.
  • “Flat sides” in flat elements are those sides (surfaces) whose expansions are significantly larger compared to other sides of the elements.
  • connection layer typically produces sealing surfaces around the chemically active region of the membrane-electrode assembly, through the integral connection, to the seal carrier and to the membrane-electrode assembly. This prevents unwanted transfer of operating media between the two sides of the membrane. In addition, a sufficient stability of the membrane electrode assembly is ensured by the cohesive connection.
  • the chemically active region is that region of the membrane-electrode assembly which is charged with reactants during operation.
  • the bonding layer is typically a film, in particular a plastic film.
  • the seal is typically formed surrounding the membrane circumferentially.
  • the chemically active region of the membrane-electrode assembly is circumferentially enclosed by the seal.
  • reactants and reaction products are prevented from exiting a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.
  • the electrodes of the membrane-electrode assembly are also located within the chemically active region circumferentially surrounded by the seal.
  • the seal is integrally connected to the seal carrier. This can typically be achieved by injecting the seal onto the seal carrier, for example with partial melting of the materials concerned.
  • the seal is connected outside the connection position with the seal carrier.
  • the seal usually extends on both sides, in particular in two
  • Subsections along the seal carrier The two sections extend on both sides of the seal carrier by the first section along a first
  • Subsection and the second subsection preferably map substantially congruent normal projection regions on the seal carrier.
  • sealing surfaces are meant those surfaces which are designed to abut and seal against a mating surface of, for example, a bipolar plate. [Idium I Magnetic] Particularly preferably, the sealing surfaces are mirror-symmetrical with respect to the seal carrier (or a plane lying in the latter).
  • the seal per section on two sealing lips which by a
  • the seal carrier is a seal carrier film made of a plastic.
  • the seal carrier film is a PEN film (polyethylene naphthalate) or the seal carrier film comprises PEN.
  • the seal carrier has at least one opening for the passage of
  • Operating media which is typically surrounded by the seal circumferentially. Openings for carrying operating media serve to supply the membrane-electrode unit with operating media. As a result, the fuel cell stack can be supplied with the operating media in a compact and space-saving manner.
  • the operating media include
  • Reactants ie fuel (eg hydrogen) and oxidants (eg oxygen or air) as well as cooling media, in particular cooling liquid.
  • reaction products eg water
  • the membrane-electrode assembly may include gas diffusion layers (GDL) disposed within the chemically active region enclosed by the gasket.
  • the electrodes may be connected to the gas diffusion layers to form so-called gas diffusion electrodes.
  • connection layer is preferably arranged on a flat side of the membrane opposite the seal carrier.
  • the membrane typically the entire membrane-electrode assembly
  • the cohesive connection is a bond. Bonding is easy and inexpensive to produce.
  • the bond can be both a pressure-sensitive bond (for example by means of an adhesion adhesive) and a thermally activatable bond and / or a bond with a hot-melt adhesive.
  • the bonding layer is coated with an adhesive, in particular, the bonding layer is a self-adhesive film.
  • the bonding layer is simply glued to the membrane electrode assembly and the seal carrier, which overlap.
  • connection layer preferably ends with an offset relative to an inner edge of the seal carrier.
  • inner edge of the connection layer projects beyond the inner edge of the seal carrier. This configuration causes a more uniform thickness of the membrane-electrode assembly and prevents or at least reduces a shearing action on the membrane between the seal carrier and the connecting layer.
  • the seal carrier has a perforation along which the seal extends on both sides of the seal carrier.
  • a first section of the seal is on a first flat side and a second section on a second flat side of the seal carrier.
  • Seal carrier arranged.
  • the two sections are integrally connected to each other through the perforation. As a result, the seal is positively connected to the
  • Gasket carrier connected.
  • a multiplicity of positive connection points are provided by the perforation and the seal extending through the perforation.
  • Normal projections of the two subsections on the seal carrier preferably comprise a congruent region, wherein the seal carrier has the perforation within the congruent region.
  • the perforation comprises by the seal carrier through recesses in any shape, eg. B. circular, in any arrangement, that is at regular or irregular intervals, and in any number, but at least one recess.
  • a fuel cell is provided.
  • the fuel cell comprises a plurality of alternately stacked bipolar plates and membrane electrode assemblies according to the invention.
  • the seal seals especially those
  • a motor vehicle comprising the fuel cell according to the invention is made available.
  • the fuel cell is preferably used to supply the motor vehicle with electric current.
  • the fuel cell is provided for the power supply of an electrical drive of the motor vehicle.
  • a method for producing a membrane electrode assembly comprises a step of producing the seal in the region of the seal carrier and a subsequent step of
  • connection layer is typically bonded to the membrane and / or the electrodes of the membrane-electrode assembly.
  • the manufacture of the seal by means of injection of the seal to the
  • Realized seal carrier This is done by means of an injection of a (starting) material of the seal. Typically, there is then a step of crosslinking the
  • the seal is sprayed only onto the seal carrier without a membrane-electrode assembly, or the seal carrier is encapsulated with the seal.
  • Processing temperature thus depends on the seal carrier, in particular a film used for it, and not on the membrane electrode assembly.
  • the cost of missing parts is reduced to the cost of the seal carrier and the seal.
  • the next step will be the relatively sensitive membrane or, typically, the entire membrane-electrode assembly in an opening region (window) of the seal carrier, which later substantially represents the chemically active region (ie, a chemically active surface).
  • Bonding of the membrane-electrode assembly is usually carried out by placing the
  • Connection layer typically a frame
  • adhesive adhesive
  • FIG. 1 shows a membrane electrode assembly according to the invention according to a
  • FIG. 2 shows an exploded view of the membrane-electrode arrangement
  • FIG. 3 shows the seal carrier
  • FIG. 4 shows the seal carrier with the seal
  • FIG. 5 shows the seal carrier with the seal and the membrane
  • Figure 6 shows the seal carrier with the seal, the membrane and the
  • FIG. 7 shows the membrane-electrode arrangement with the gas diffusion layers
  • FIG. 9 shows a motor vehicle comprising the fuel cell.
  • the membrane-electrode assembly 10 includes a membrane-electrode assembly 12 (MEA), a seal carrier 14, and a seal 16 connected to the seal carrier 14.
  • the seal carrier 14 may have openings 18 for carrying operating media.
  • the membrane-electrode unit 12 comprises a membrane 20 and electrodes 22 arranged on both sides of the membrane 20 (the electrodes themselves are not shown, only their positions are marked).
  • the membrane-electrode assembly 10 forms a chemically active region 26 which in operation is supplied with reactants and in which the desired reactions take place.
  • both flat sides of the membrane 20 are completely covered by the electrodes 22.
  • the electrodes 22 may also be limited to the chemically active region and thus only partially cover the flat sides of the membrane 20.
  • the membrane 20 is fitted in an opening region of the seal carrier 14.
  • the membrane 20, and in the example the entire membrane electrode assembly 12 overlaps with the seal carrier 14 circumferentially and is connected by means of a connecting layer 24 with the seal carrier 14.
  • This is done by the gasket layer 24 is materially connected to the membrane electrode assembly 12, ie with the membrane 20 and / or the electrodes 22 and also also materially connected to the seal carrier 14.
  • the gasket layer 24 overlaps both the membrane 20 and the seal carrier 14 circumferentially.
  • the connecting layer 24 may be formed as a self-adhesive film.
  • the membrane-electrode unit 12 can be arranged between the seal support 14 and the connection layer 24, so that the membrane 20 is stabilized in its edge regions between the seal support 14 and the connection layer 24.
  • the connection layer 24 may be arranged on a flat side of the membrane 20 opposite the seal carrier 14.
  • an inner edge 32 of the connecting layer 24 with respect to an inner edge 34 of the seal carrier 14 ends with an offset, whereby the mechanical stress on the relatively sensitive membrane electrode assembly 12 is reduced.
  • Gas diffusion layers 36 can be connected to the membrane electrode unit 12 on both sides.
  • the seal 16 may include a first portion 38 and a second portion 40 which extend on both sides of the seal carrier 14. The two
  • Subsections 38, 40 can each form two sealing lips 42.
  • the sections have sealing surfaces 44 for sealing to a bipolar plate.
  • the sealing surfaces 44 may be formed with respect to the seal carrier 14 mirror-symmetrical.
  • FIGS. 3 to 7 show the individual steps according to a preferred sequence for producing the membrane-electrode assembly 10.
  • the manufacturing process typically begins with the seal carrier 14 shown in FIG. 3 (edge reinforcement or film carrier). This may have resource openings 18 and an opening area 46. In addition, the seal carrier 14 may have a perforation 48, along which, in the next manufacturing step, the seal 16 on the
  • Seal carrier 14 is applied. Both the operating medium openings 18, and the opening area 46 and recesses of the perforation 48 are through the seal carrier 14 through recesses. These continuous recesses 18, 46, 48 and the outline of the seal carrier 14 can usually by means of punching the
  • Seal carrier 14 are made of a film (typically a plastic film) of the seal carrier.
  • One possibility for applying the seal 16 to the seal carrier 14 is injection molding of the seal 16 on the seal carrier 14. This takes place within an injection mold by injecting a reaction mixture comprising a polymer or monomers to be crosslinked and optionally a crosslinking agent into the injection mold. Thanks to the perforation 48, a pressure equalization within the reaction mixture of the two sections 38, 40 can take place during the injection process. This will cause a deformation of the
  • Seal carrier 14 due to possible different pressures on both sides of the seal carrier 14 is prevented.
  • a crosslinking and / or polymerization process is usually carried out, which takes place by heating the reaction mixture over a predefined period. Thanks to the perforation 48, the two sections 38, 40 are integrally connected to each other through the perforation 48, whereby the seal 16 is positively connected to the seal carrier 14.
  • the seal 16 which is already connected to the seal carrier 14, that is typically molded onto it, can be seen in FIG. This unit can also act as one
  • Foil seal frames are called.
  • the next step is typically a joining of the seal carrier 14 and the membrane-electrode unit 12 - see Figure 5.
  • the membrane-electrode unit 12 positioned in the example shown above the seal carrier 14, wherein the still visible in Figure 4 opening area 46 is closed by the membrane electrode assembly 12.
  • the membrane 20 overlaps in its edge regions
  • FIG. 6 shows the membrane-electrode arrangement 10 after a further production step.
  • the connection layer 24 adheresive frame
  • z As a self-adhesive film, glued in the frame shape shown on the membrane electrode assembly 12 and the seal carrier 14 with these overlapping.
  • the seal carrier 14 may also be provided by applying an adhesive (to the seal carrier 14 and / or the membrane-electrode assembly 12, eg its membrane 20) in the edge region overlapping the membrane 20 to the membrane-electrode assembly 12 are glued directly.
  • an adhesive to the seal carrier 14 and / or the membrane-electrode assembly 12, eg its membrane 20
  • it requires a relatively complicated step of applying the adhesive to the respective edge region. Therefore, bonding by means of the bonding layer 24 is preferred.
  • Membrane electrode unit 12 are glued or laminated.
  • FIG. 7 the
  • Membrane electrode assembly 10 shown after this step.
  • the seal 16 is joined to the seal carrier 14, ie typically the gasket 16 is injection-molded onto the gasket carrier 14 (or the gasket carrier 14 is also encapsulated with the gasket 16) before the gasket carrier 14 is connected to the membrane 20. At the same time, this connection of the seal carrier 14 is joined to the seal carrier 14, ie typically the gasket 16 is injection-molded onto the gasket carrier 14 (or the gasket carrier 14 is also encapsulated with the gasket 16) before the gasket carrier 14 is connected to the membrane 20. At the same time, this connection of the
  • connection layer 24 Subsequent mounting of the membrane-electrode unit 12 reduces the scrap costs and shortens the process times during injection molding of the seal 16.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a fuel cell 50 comprising a plurality of membrane-electrode arrangements 10 according to the invention.
  • the membrane-electrode arrangements 10 are stacked alternately with bipolar plates 52 to form a fuel cell stack 54 having a plurality of individual cells 56.
  • the bipolar plates 52 provide the membrane-electrode assemblies 12 of the membrane-electrode assemblies 10 with the reactants via the gas diffusion layers 36, for which purpose suitable channels are typically provided in the bipolar plates 52.
  • bipolar plates 52 electrically connect two adjacent membrane-electrode assemblies 12, thereby connecting them in series.
  • the two terminal bipolar plates are also referred to as monopolar plates, since they supply the subsequent membrane electrode unit 12 only on one side and, for this purpose, have corresponding channels only on one side thereof.
  • the seals 16 of the membrane-electrode assemblies 10 seal the spaces between the membrane-electrode assemblies 12 and the bipolar plates 52 to the outside and prevent thus, leakage of the operating media from the fuel cell stack 54 during operation of the fuel cell 50.
  • the fuel cell stack 54 is typically compressed. This is usually done via two end plates 58, which are arranged at both ends of the fuel cell stack 54, in combination with several
  • Tension elements 60 The tension members 60 direct tensile forces into the end plates 58 so that the end plates 58 compress the fuel cell stack 54.
  • FIG. 9 shows a motor vehicle 62 comprising the fuel cell 50.
  • the fuel cell 50 provides electrical energy during operation of the motor vehicle 62, typically for an electric drive system of the motor vehicle 62.
  • MEA Membrane Electrode Unit

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle (50). Die Membran-Elektroden-Anordnung (10) umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit (12) mit einer Membran (20) und zwei, die Membran (20) beidseitig flächig kontaktierenden Elektroden (22). Die Membran-Elektroden-Anordnung (10) umfasst zudem einen, die Membran (20) umlaufend umschließenden und mit dieser überlappenden Dichtungsträger (14). Überdies umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung (10) eine Verbindungslage (24), welche mit der Membran (20) und mit dem Dichtungsträger (14) umlaufend überlappt, wobei auf derselben Flachseite der Verbindungslage (24) ein innerer Randabschnitt (28) der Verbindungslage (24) mit der Membran-Elektroden-Einheit (12) und ein äußerer Randabschnitt (30) der Verbindungslage (24) mit dem Dichtungsträger (14) stoffschlüssig verbunden ist. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung (10) eine, außerhalb der Membran (20) mit dem Dichtungsträger (14) verbundene Dichtung (16). Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (50) umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Membran-Elektroden-Anordnungen (10), ein Kraftfahrzeug (62) umfassend die Brennstoffzelle (50) und ein Verfahren zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung (12).

Description

Beschreibung
Membran-Elektroden-Anordnung, Brennstoffzelle mit einer solchen und Kraftfahrzeug mit der
Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Membran-Elektronen-Einheit und eine Dichtung. Zudem betrifft die Erfindung eine
Brennstoffzelle umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Membran-Elektroden- Anordnungen und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein
(wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen
Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf
Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem
Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der P EM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser
Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von
Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein
Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel so genannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel verhindern. Die Dichtungen können seitens der Membran-Elektroden-Einheiten und/oder der Bipolarplatten vorgesehen sein und
insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein.
Zu diesem Zweck kann die Dichtung ein- oder beidseitig auf die Bipolarplatte aufvulkanisiert sein. Ferner kann die Dichtung in Form einer Dichtraupe auf der Bipolarplatte mittels eines Roboters aufgetragen werden. Die mit dem Roboter aufgetragene Dichtung kann erhebliche Toleranzen aufweisen, welche zu Leckagen führen können. Diesem Problem wurde bisher z. B. durch eine Prozessoptimierung des Auftragens der Dichtraupe mit dem Roboter entgegengewirkt.
Ferner kann die Membran zwischen zwei mit einem Kleber beschichteten Folien
(Randverstärkungsfolien) laminiert werden. Danach können Dichtungen an die Membran- Elektroden-Einheiten angespritzt bzw. die Membran-Elektroden-Einheiten umspritzt werden. Die maximale Temperatur wird dabei jedoch durch die Membran-Elektroden-Einheit bestimmt und liegt bei ca. 120° C. Diese Temperaturbegrenzung spielt bei den Prozesszeiten für das
Vernetzen des Elastomers der Dichtung eine Rolle und resultiert in hohen Kosten wegen langen Prozesszeiten, sowie einer großen Anzahl an Ausschüssen. Die dadurch entstehenden
Ausschusskosten sind auf eine fehlerhafte Umspritzung der Membran-Elektroden-Einheit sowie auch das Handling dieses äußerst empfindlichen Bauteils in einem Stanz- und
Spritzgussprozess zurückzuführen.
Die DE 10 2009 003 947 A1 offenbart eine UEA (unitized electrode assembly) umfassend eine MEA mit einer Elektrolytmembran, welche sich nicht wesentlich über einen aktiven Bereich der MEA hinaus erstrecken. Ein Sperrfilm ist zwischen einer, um einen chemisch aktiven Bereich umlaufenden Dichtung der UEA und dem chemisch aktiven Bereich angeordnet. Der Sperrfilm kann die MEA außerhalb des aktiven Bereichs überlappen. Ferner kann der Sperrfilm als Träger für die Dichtung dienen und insbesondere mit dieser einteilig ausgeführt sein. Die MEA kann mit dem Sperrfilm mittels eines chemischen Klebstoffs gekoppelt sein. Zudem kann je nach
Verbindungskonfiguration ein Verbindungsfilm ein Ende der Elektrolytmembran abdecken.
Die WO 2010/1 14139 beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle und für Brennstoffzellenmodule der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle umfasst Elektrodeneinheiten, welche je eine MEA, und anodenseitig und kathodenseitig der MEA je eine poröse Schicht umfassen. Die MEA umfasst wiederum eine Elektrolyt-Membran und eine katalytische Anoden- und Kathodenschicht. Die poröse Schicht umfasst jeweils eine, der MEA zugewandte
Gasdiffusionslage (aus Karbon-Papier) und eine Gasflusswegelage (aus gesintertem
Metallschaum). Zwischen den Elektrodeneinheiten sind Separatoren (entsprechend
Bipolarplatten) angeordnet, welche jeweils drei Stahlschichten umfassen. Zwischen den
Separatoren und diese kontaktierend sind rahmenförmige Dichtungen angeordnet, welche die Elektrodeneinheiten umschließen.
Bei der Herstellung werden zunächst eine erste Einheit umfassend einen Separator und einen äußeren Rahmen der rahmenförmigen Dichtung und eine zweite Einheit umfassend die Elektrodeneinheit und einen inneren Rahmen der rahmenförmigen Dichtung gebildet.
Anschließend wird der innere Rahmen mitsamt der Elektrodeneinheit in die äußere Dichtung eingesetzt. Als weitere Variante kann auch die Elektrodeneinheit in eine Einheit umfassend den Separator und die rahmenförmige Dichtung direkt eingesetzt werden.
Die WO 2010/1 14140 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für eine Zellenanordnung einer Brennstoffzelle. Der Aufbau der Brennstoffzelle ist im Wesentlichen analog dem Aufbau der WO 2010/1 14139. Bei der Herstellung werden zunächst die Elektrodeneinheit, der Separator und eine Dichtungs-Vorform, welche eine Rahmenform aufweist, hergestellt. Die
Elektrodeneinheit, der Separator und die Dichtungs-Vorform werden in einem
Ausformwerkzeug, welches eine Pressvorrichtung umfasst, angeordnet. Mittels Druck und Wärme werden die einzelnen Teile in dem Ausformwerkzeug miteinander verbunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Anordnung zu schaffen, welche einfacher hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Membran und mit zwei, die Membran beidseitig flächig kontaktierenden Elektroden. Zudem umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung einen, die Membran umlaufend umschließenden und mit dieser überlappenden Dichtungsträger. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung eine Verbindungslage, welche mit der Membran und mit dem Dichtungsträger umlaufend überlappt, wobei auf derselben Flachseite der Verbindungslage ein innerer Randabschnitt der Verbindungslage mit der Membran-Elektroden- Einheit und ein äußerer Randabschnitt der Verbindungslage mit dem Dichtungsträger stoffschlüssig verbunden ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst zudem eine, außerhalb der Membran mit dem Dichtungsträger verbundene Dichtung.
Die Membran ist typischerweise eine protonenleitende Membran (Polymerelektrolytmembran). Die Elektroden bilden eine Anode und eine Kathode aus und können beidseitig auf die
Membran beschichtet sein. Der innere Randabschnitt der Verbindungslage ist typischerweise mit der Membran und/oder einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit stoffschlüssig verbunden.
Als„Flachseiten" werden bei flachen Elementen jene Seiten (Flächen) bezeichnet, deren Ausdehnungen verglichen mit anderen Seiten der Elemente wesentlich größer sind.
Die Verbindungslage stellt durch die stoffschlüssige Verbindung typischerweise um einen chemisch aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit umlaufende Dichtflächen zum Dichtungsträger und zur Membran-Elektroden-Einheit her. Dadurch wird ein unerwünschter Übertritt von Betriebsmedien zwischen den beiden Seiten der Membran verhindert. Zudem ist durch die stoffschlüssige Verbindung eine ausreichende Stabilität der Membran-Elektroden- Anordnung sichergestellt. Der chemisch aktive Bereich ist jener Bereich der Membran- Elektroden-Einheit, welcher im Betrieb mit Reaktanten beaufschlagt wird. Die Verbindungslage ist typischerweise eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie.
Die Dichtung ist typischerweise die Membran umlaufend umschließend ausgebildet. Dadurch ist auch der chemisch aktive Bereich der Membran-Elektroden-Einheit von der Dichtung umlaufend umschlossen. Dadurch, dass die Dichtung den chemisch aktiven Bereich umschließt, werden Reaktanten und Reaktionsprodukte daran gehindert, aus einer Brennstoffzelle, welche die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst, auszutreten. Somit sind auch die Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb des von der Dichtung umlaufend umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet.
Vorzugsweise ist die Dichtung stoffschlüssig mit dem Dichtungsträger verbunden. Dies ist typischerweise durch ein Anspritzen der Dichtung an den Dichtungsträger zum Beispiel unter teilweisem Anschmelzen der betroffenen Materialien realisierbar.
Üblicherweise ist die Dichtung außerhalb der Verbindungslage mit dem Dichtungsträger verbunden.
Ferner erstreckt sich die Dichtung üblicherweise beidseitig, insbesondere in zwei
Teilabschnitten entlang dem Dichtungsträger. Die beiden Teilabschnitte erstrecken sich beidseitig des Dichtungsträgers, indem sich der erste Teilabschnitt entlang einer ersten
Flachseite des Dichtungsträgers und der zweite Teilabschnitt entlang einer zweiten Flachseite des Dichtungsträgers erstreckt. Die beiden Teilabschnitte weisen Dichtflächen auf, wobei die Dichtflächen des ersten
Teilabschnitts und des zweiten Teilabschnitts bevorzugt im Wesentlichen deckungsgleiche Normalprojektionsbereiche auf dem Dichtungsträger abbilden. Mit„Dichtflächen" sind jene Flächen gemeint, welche dazu ausgebildet sind, an einer Gegenfläche z. B. einer Bipolarplatte anzuliegen und zu dichten. Insbesondere bevorzugt sind die Dichtflächen bezüglich dem Dichtungsträger (beziehungsweise einer in diesem liegenden Ebene) spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Bevorzugt weist die Dichtung je Teilabschnitt zwei Dichtlippen auf, die durch eine
entsprechende Profilierung der Dichtung gebildet werden. Dadurch bilden sich zwei voneinander unabhängige Dichtungslinien, also real zwei Dichtbereiche, welche eine doppelte Sicherheit gegen Leckage bewirken. Typischerweise laufen die zwei Dichtlippen rings um einen abgedichteten Bereich.
Vorzugsweise ist der Dichtungsträger eine Dichtungsträgerfolie aus einem Kunststoff.
Insbesondere ist die Dichtungsträgerfolie eine PEN-Folie (Polyethylennaphthalat) oder die Dichtungsträgerfolie umfasst PEN.
Bevorzugt weist der Dichtungsträger zumindest eine Öffnung zur Durchführung von
Betriebsmedien auf, welche typischerweise von der Dichtung umlaufend umschlossen ist. Öffnungen zur Durchführung von Betriebsmedien dienen zur Versorgung der Membran- Elektroden-Einheit mit Betriebsmedien. Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel kompakt und platzsparend mit den Betriebsmedien versorgt werden. Die Betriebsmedien umfassen
Reaktanten, also Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) sowie Kühlmedien, insbesondere Kühlflüssigkeit. Ferner können Reaktionsprodukte (z. B. Wasser) über Öffnungen abgeführt werden.
Die Membran-Elektroden-Anordnung kann Gasdiffusionslagen (GDL) umfassen, welche innerhalb des, von der Dichtung umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet sind. Die Elektroden können mit den Gasdiffusionslagen zu so genannten Gasdiffusionselektroden verbunden sein.
Bevorzugt ist die Verbindungslage auf einer, dem Dichtungsträger gegenüberliegenden Flachseite der Membran angeordnet. Dadurch befindet sich die Membran (typischerweise die gesamte Membran-Elektroden-Einheit) geschützt zwischen der Verbindungslage und dem Folienträger. Vorzugsweise ist die stoffschlüssige Verbindung eine Klebung. Klebungen sind leicht und kostengünstig herzustellen. Die Klebung kann sowohl eine drucksensitive Klebung (z. B. mittels eines Adhäsionsklebers) als auch eine thermisch aktivierbare Klebung und/oder eine Klebung mit einem Heißkleber sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindungslage mit einem Klebstoff beschichtet, insbesondere ist die Verbindungslage eine selbstklebende Folie. Durch diese Ausgestaltung kann auf eine besonders einfache Art und Weise ein Verbinden der Membran-Elektroden-Einheit und somit der Membran mit dem Dichtungsträger erfolgen. So wird die Verbindungslage, insbesondere die selbstklebende Folie einfach auf die Membran- Elektroden-Einheit und auf den Dichtungsträger geklebt, welche sich dabei überlappen.
Bevorzugt endet ein innerer Rand der Verbindungslage gegenüber einem inneren Rand des Dichtungsträgers mit einem Versatz. Insbesondere steht der innere Rand der Verbindungslage (in Richtung des chemisch aktiven Bereichs also typischerweise in Richtung der Mitte der Membran) über den inneren Rand des Dichtungsträgers. Durch diese Ausgestaltung wird eine gleichmäßiger verlaufende Dicke der Membran-Elektroden-Anordnung bewirkt und eine Scherwirkung auf die Membran zwischen dem Dichtungsträger und der Verbindungslage verhindert oder zumindest vermindert.
Vorzugsweise weist der Dichtungsträger eine Perforation auf, entlang welcher sich die Dichtung beidseitig des Dichtungsträgers erstreckt. Ein erster Teilabschnitt der Dichtung ist auf einer ersten Flachseite und ein zweiter Teilabschnitt auf einer zweiten Flachseite des
Dichtungsträgers angeordnet. Die beiden Teilabschnitte sind durch die Perforation hindurch einstückig miteinander verbunden. Dadurch ist die Dichtung formschlüssig mit dem
Dichtungsträger verbunden. Typischerweise wird durch die Perforation und die, durch die Perforation verlaufende Dichtung eine Vielzahl an formschlüssigen Verbindungsstellen zur Verfügung gestellt. Bevorzugt umfassen Normalprojektionen der beiden Teilabschnitte auf den Dichtungsträger einen deckungsgleichen Bereich, wobei der Dichtungsträger innerhalb des deckungsgleichen Bereichs die Perforation aufweist. Die Perforation umfasst durch den Dichtungsträger durchgehende Ausnehmungen in beliebiger Form, z. B. kreisrund, in beliebiger Anordnung, also in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, und in beliebiger Anzahl, wenigstens jedoch eine Ausnehmung. Ferner wird eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten und erfindungsgemäßer Membran- Elektroden-Anordnungen. Typischerweise dichtet die Dichtung, insbesondere deren
Teilabschnitte Räume zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten ab.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle dient vorzugsweise zur Versorgung des Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom. Insbesondere ist die Brennstoffzelle zur Stromversorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden- Anordnung zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Herstellens der Dichtung im Bereich des Dichtungsträgers und einen anschließenden Schritt des
stoffschlüssigen Verbindens des inneren Randabschnitts der Verbindungslage mit der
Membran-Elektroden-Einheit und des äußeren Randabschnitts der Verbindungslage mit dem Dichtungsträger.
Der innere Randabschnitt der Verbindungslage wird typischerweise mit der Membran und/oder den Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit stoffschlüssig verbunden.
Typischerweise erfolgt vor dem stoffschlüssigen Verbinden ein Zusammenfügen des
Dichtungsträgers und der Membran, also typischerweise ein Zusammenfügen des
Dichtungsträgers und der gesamten Membran-Elektroden-Einheit.
Vorzugsweise ist das Herstellen der Dichtung mittels Anspritzens der Dichtung an den
Dichtungsträger realisiert. Dies erfolgt mittels eines Anspritzens eines (Ausgangs-)Materials der Dichtung. Typischerweise erfolgt anschließend ein Schritt des Vernetzens des
(Ausgangs-)Materials. Durch diese Ausgestaltung erfolgt typisch erweise eine dichte Verbindung zwischen der Dichtung und dem Dichtungsträger.
Im Gegensatz zum Umspritzen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) wird erfindungsgemäß die Dichtung lediglich an den Dichtungsträger ohne Membran-Elektroden-Einheit gespritzt, bzw. der Dichtungsträger mit der Dichtung umspritzt. Eine maximal realisierbare
Verarbeitungstemperatur hängt somit von dem Dichtungsträger, insbesondere einer dafür verwendeten Folie, und nicht von der Membran-Elektroden-Einheit ab. Die Kosten für Fehlteile reduzieren sich auf die Kosten des Dichtungsträgers und der Dichtung. Im nächsten Schritt wird die relativ empfindliche Membran oder typischerweise die gesamte Membran-Elektroden-Einheit in einem Öffnungsbereich (Fenster) des Dichtungsträgers, welcher später im Wesentlichen den chemisch aktiven Bereich (also eine chemisch aktive Fläche) darstellt, positioniert. Die
Verklebung der Membran-Elektroden-Einheit erfolgt üblicherweise durch Auflegen der
Verbindungslage (typischerweise ein Rahmen), welche mit einem Kleber (Adhäsionskleber) beschichtet ist. Die Gasdiffusionslagen können nach bekannten Verfahren entweder
auflaminiert (also mittels eines kleberlosen Heißpressverfahrens mit der Membran verbunden) oder aufgeklebt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung der Membran-Elektroden-Anordnung,
Figur 3 den Dichtungsträger,
Figur 4 den Dichtungsträger mit der Dichtung,
Figur 5 den Dichtungsträger mit der Dichtung und der Membran,
Figur 6 den Dichtungsträger mit der Dichtung, der Membran und der
Verbindungslage,
Figur 7 die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Gasdiffusionslagen,
Figur 8 eine Brennstoffzelle umfassend die Membran-Elektroden-Anordnung, und
Figur 9 ein Kraftfahrzeug umfassend die Brennstoffzelle.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, in einer Draufsicht, einer Schnittdarstellung (A-A) und einer Detaildarstellung der Schnittdarstellung (A-A) ersichtlich. Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit 12 (MEA), einen Dichtungsträger 14 und eine Dichtung 16, welche mit dem Dichtungsträger 14 verbunden ist. Der Dichtungsträger 14 kann Öffnungen 18 zur Durchführung von Betriebsmedien aufweisen.
Die Membran-Elektroden-Einheit 12 (MEA) umfasst eine Membran 20 und beidseitig der Membran 20 angeordnete Elektroden 22 (die Elektroden selbst sind nicht dargestellt, lediglich deren Positionen sind gekennzeichnet). Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 bildet einen chemisch aktiven Bereich 26 aus, welcher im Betrieb mit Reaktanten beaufschlagt wird und in welchem die gewünschten Reaktionen stattfinden. Üblicherweise sind beide Flachseiten der Membran 20 komplett von den Elektroden 22 bedeckt. Ferner können sich die Elektroden 22 jedoch auch auf den chemisch aktiven Bereich beschränken und somit die Flachseiten der Membran 20 nur teilweise bedecken.
Wie in der Schnittdarstellung A-A und der dazugehörigen Detaildarstellung ersichtlich, ist die Membran 20 in einem Öffnungsbereich des Dichtungsträgers 14 eingepasst. Die Membran 20, und im Beispiel die gesamte Membran-Elektroden-Einheit 12 überlappt mit dem Dichtungsträger 14 umlaufend und ist mittels einer Verbindungslage 24 mit dem Dichtungsträger 14 verbunden. Dies erfolgt, indem die Dichtungslage 24 stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Einheit 12, also mit deren Membran 20 und/oder den Elektroden 22 und zudem auch stoffschlüssig mit dem Dichtungsträger 14 verbunden ist. Dazu überlappt die Dichtungslage 24 sowohl die Membran 20 als auch den Dichtungsträger 14 umlaufend. Zur Realisierung der stoffschlüssigen Verbindung kann die Verbindungslage 24 als selbstklebende Folie ausgebildet sein. Diese weist eine, in der Regel einseitige Beschichtung mit einem Klebstoff auf, welche (auf derselben Flachseite der Verbindungslage 24) in einem inneren Randabschnitt 28 die Membran- Elektroden-Einheit 12 und in einem äußeren Randabschnitt 30 den Dichtungsträger 14 kontaktiert. Da sowohl der Dichtungsträger 14, als auch die Verbindungslage 24 eine
geschlossen umlaufende Form aufweisen, umschließen diese die Membran 20 und
insbesondere den chemisch aktiven Bereich 26. Durch die ebenso geschlossen umlaufende, stoffschlüssige Verbindung zwischen der Verbindungslage 24 und der Membran-Elektroden- Einheit 12, sowie zwischen der Verbindungslage 24 und dem Dichtungsträger 14, sind umlaufend geschlossene Dichtungsbereiche geschaffen, welche im Betrieb einen Übertritt von Reaktanten von einer Seite der Membran 20 auf die andere Seite der Membran 20 verhindern. Wie ersichtlich ist, kann dabei die Membran-Elektroden-Einheit 12 zwischen dem Dichtungsträger 14 und der Verbindungslage 24 angeordnet sein, sodass die Membran 20 in ihren Randbereichen zwischen dem Dichtungsträger 14 und der Verbindungslage 24 stabilisiert ist. Mit anderen Worten kann die Verbindungslage 24 auf einer, dem Dichtungsträger 14 gegenüberliegenden Flachseite der Membran 20 angeordnet sein.
Zudem kann ein innerer Rand 32 der Verbindungslage 24 gegenüber einem inneren Rand 34 des Dichtungsträgers 14 mit einem Versatz endet, wodurch die mechanische Belastung auf die relativ empfindliche Membran-Elektroden-Einheit 12 verringert wird. Im gezeigten Fall steht der innere Rand 32 der Verbindungslage 24 über den inneren Rand 34 des Dichtungsträgers 14.
An die Membran-Elektroden-Einheit 12 können beidseitig Gasdiffusionslagen 36 anschließen.
Die Dichtung 16 kann einen ersten Teilabschnitt 38 und einen zweiten Teilabschnitt 40 aufweisen, welche sich beidseitig des Dichtungsträgers 14 erstrecken. Die beiden
Teilabschnitte 38, 40 können jeweils zwei Dichtlippen 42 ausbilden. Typischerweise weisen die Teilabschnitte Dichtflächen 44 zur Dichtung an einer Bipolarplatte auf. Um dabei eine mechanische Belastung auf den Dichtungsträger 14 zu verringern, können die Dichtflächen 44 bezüglich dem Dichtungsträger 14 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein.
Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung der bereits aus Figur 1 bekannten Membran- Elektroden-Anordnung 10, welche bereits obenstehend erörtert wurde. Die folgenden Figuren 3 bis 7 zeigen die einzelnen Schritte gemäß einer bevorzugten Abfolge zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 10.
Das Herstellungsverfahren beginnt typischerweise mit dem in Figur 3 gezeigten Dichtungsträger 14 (Randverstärkung bzw. Folienträger). Dieser kann Betriebsmittelöffnungen 18 und einen Öffnungsbereich 46 aufweisen. Zudem kann der Dichtungsträger 14 eine Perforation 48 aufweisen, entlang welcher, im nächsten Herstellungsschritt die Dichtung 16 auf den
Dichtungsträger 14 aufgebracht wird. Sowohl die Betriebsmittelöffnungen 18, als auch der Öffnungsbereich 46 und Ausnehmungen der Perforation 48 sind durch den Dichtungsträger 14 durchgehende Ausnehmungen. Diese durchgehenden Ausnehmungen 18, 46, 48 und der Umriss des Dichtungsträgers 14 können üblicherweise mittels Ausstanzens des
Dichtungsträgers 14 aus einer Folie (typischerweise eine Kunststofffolie) des Dichtungsträgers geschaffen werden. Eine Möglichkeit zum Aufbringen der Dichtung 16 auf den Dichtungsträger 14 ist ein Anspritzen der Dichtung 16 an den Dichtungsträger 14. Dies erfolgt innerhalb eines Spritzgusswerkzeugs, indem ein Reaktionsgemisch, umfassend ein zu vernetzendes Polymer oder Monomere und ggf. ein Vernetzungsmittel in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt werden. Dank der Perforation 48 kann während des Anspritzvorganges ein Druckausgleich innerhalb des Reaktionsgemischs der beiden Teilabschnitte 38, 40 stattfinden. Dadurch wird einer Verformung des
Dichtungsträgers 14, aufgrund möglicher unterschiedlicher Drücke auf beiden Seiten des Dichtungsträgers 14 vorgebeugt. Nach dem Anspritzen erfolgt üblicherweise ein Vernetzungsund/oder Polymerisationsvorgang, welcher durch ein Erwärmen des Reaktionsgemischs über eine vordefinierte Dauer erfolgt. Dank der Perforation 48 sind die beiden Teilabschnitte 38, 40 durch die Perforation 48 hindurch miteinander einstückig verbunden, wodurch die Dichtung 16 mit dem Dichtungsträger 14 formschlüssig verbunden ist.
Die Dichtung 16, welche bereits mit dem Dichtungsträger 14 verbunden ist, also typischerweise an diesen angespritzt ist, ist in Figur 4 ersichtlich. Diese Einheit kann auch als ein
Foliendichtungsrahmen bezeichnet werden.
Als nächster Schritt erfolgt typischerweise ein Zusammenfügen des Dichtungsträgers 14 und der Membran-Elektroden-Einheit 12 - vergleiche Figur 5. Dazu wird die Membran-Elektroden- Einheit 12, im gezeigten Beispiel oberhalb des Dichtungsträgers 14 positioniert, wobei der in Figur 4 noch ersichtliche Öffnungsbereich 46 von der Membran-Elektroden-Einheit 12 verschlossen wird. Dabei überlappt die Membran 20 in ihren Randbereichen den
Dichtungsträger 14.
Figur 6 zeigt die Membran-Elektroden-Anordnung 10 nach einem weiteren Herstellungsschritt. Dabei wird die Verbindungslage 24 (Kleberahmen), z. B. eine selbstklebende Folie, in der gezeigten Rahmenform auf die Membran-Elektroden-Einheit 12 und den Dichtungsträger 14 mit diesen überlappend geklebt.
Alternativ kann der Dichtungsträger 14 auch durch ein Aufbringen eines Klebstoffs (auf den Dichtungsträger 14 und/oder die Membran-Elektroden-Einheit 12, z. B. deren Membran 20) im, mit der Membran 20 überlappenden Randbereich mit der Membran-Elektroden-Einheit 12 direkt verklebt werden. Zur Realisierung dieser Variante bedarf es jedoch eines relativ aufwändigen Schritts des Aufbringens des Klebstoffs auf den jeweiligen Randbereich. Deshalb wird ein Verkleben mittels der Verbindungslage 24 bevorzugt. ln einem abschließenden Schritt können noch die Gasdiffusionslagen 36 beidseitig der
Membran-Elektroden-Einheit 12 aufgeklebt oder auflaminiert werden. In Figur 7 ist die
Membran-Elektroden-Anordnung 10 nach diesem Schritt gezeigt.
Eine Befestigung der Membran 20 erfolgt somit auf dem Dichtungsträger 14 (also einer einzigen Lage Randverstärkung), welche bereits mit der Dichtung 16 versehen ist, durch Aufbringen der Verbindungslage 24 (typischerweise ein Kleberahmen).
Durch die Erfindung erfolgt ein Verbinden der Dichtung 16 mit dem Dichtungsträger 14, also typischerweise ein Anspritzen der Dichtung 16 an den Dichtungsträger 14 (oder auch ein Umspritzen des Dichtungsträgers 14 mit der Dichtung 16) bereits vor dem Verbinden des Dichtungsträgers 14 mit der Membran 20. Gleichzeitig erfolgt dieses Verbinden des
Dichtungsträgers 14 mit der Membran 20 auf denkbar einfache Weise mittels der
Verbindungslage 24. Durch das nachträgliche Montieren der Membran-Elektroden-Einheit 12 reduzieren sich die Ausschusskosten und verkürzen sich die Prozesszeiten beim Anspritzen der Dichtung 16.
Durch die einseitige Verklebung wird eine stabile Membran-Elektroden-Anordnung 10 erzielt, welche kostengünstiger und prozesssicherer herstellbar ist.
Figur 8 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennstoffzelle 50 umfassend mehrere erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnungen 10. Die Membran-Elektroden- Anordnungen 10 sind alternierend mit Bipolarplatten 52 zu einem Brennstoffzellenstapel 54 mit mehreren Einzelzellen 56 gestapelt.
Die Bipolarplatten 52 versorgen die Membran-Elektroden-Einheiten 12 der Membran- Elektroden-Anordnungen 10 über die Gasdiffusionslagen 36 mit den Reaktanten, wozu in der Regel geeignete Kanäle in den Bipolarplatten 52 vorgesehen sind. Zudem verbinden die Bipolarplatten 52 zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 12 elektrisch leitfähig, wodurch diese in Reihe geschaltet sind. Die beiden endständigen Bipolarplatten werden auch als Monopolarplatten bezeichnet, da diese nur einseitig die anschließende Membran- Elektroden-Einheit 12 versorgen und zu diesem Zweck nur auf einer ihrer Seiten über entsprechende Kanäle verfügen.
Die Dichtungen 16 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10 dichten die Räume zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 12 und den Bipolarplatten 52 nach außen ab und ein verhindern somit ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel 54 während des Betriebs der Brennstoffzelle 50.
Um eine Funktionsfähigkeit der Dichtungen 16, sowie einen elektrisch leitfähigen Kontakt der Bipolarplatten 52 zu den Membran-Elektroden-Einheiten 12 auch bei Vibrationen (z. B. durch eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug) zu gewährleisten, wird der Brennstoffzellenstapel 54 typischerweise verpresst. Dies erfolgt in der Regel über zwei Endplatten 58, welche an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 54 angeordnet sind, in Kombination mit mehreren
Zugelementen 60. Die Zugelemente 60 leiten Zugkräfte in die Endplatten 58, sodass die Endplatten 58 den Brennstoffzellenstapel 54 zusammenpressen.
Figur 9 zeigt ein Kraftfahrzeug 62 umfassend die Brennstoffzelle 50. Die Brennstoffzelle 50 stellt während des Betriebs des Kraftfahrzeugs 62 elektrische Energie, typischerweise für ein elektrisches Antriebssystem des Kraftfahrzeugs 62 zur Verfügung.
Bezugszeichenliste
Membran-Elektroden-Anordnung
Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
Dichtungsträger
Dichtung
Öffnung zur Durchführung von Betriebsmedien Membran
Elektroden
Verbindungslage
chemisch aktiver Bereich
innerer Randabschnitt der Verbindungslage äußerer Randabschnitt der Verbindungslage innerer Rand der Verbindungslage
innerer Rand des Dichtungsträgers
Gasdiffusionslage
erster Teilabschnitt der Dichtung
zweiter Teilabschnitt der Dichtung
Dichtlippe
Dichtfläche
Öffnungsbereich
Perforation
Brennstoffzelle
Bipolarplatte
Brennstoffzellenstapel
Einzelzelle
Endplatte
Zugelement
Kraftfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle (50), umfassend
- eine Membran-Elektroden-Einheit (12) mit
- einer Membran (20) und
- zwei, die Membran (20) beidseitig flächig kontaktierenden Elektroden (22);
- einem, die Membran (20) umlaufend umschließenden und mit dieser überlappenden Dichtungsträger (14),
- einer Verbindungslage (24), welche mit der Membran (20) und mit dem Dichtungsträger (14) umlaufend überlappt, wobei auf derselben Flachseite der Verbindungslage (24) ein innerer Randabschnitt (28) der Verbindungslage (24) mit der Membran-Elektroden- Einheit (12) und ein äußerer Randabschnitt (30) der Verbindungslage (24) mit dem Dichtungsträger (14) stoffschlüssig verbunden ist, sowie
- eine, außerhalb der Membran (20) mit dem Dichtungsträger (14) verbundene Dichtung (16).
2. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Verbindungslage (24) auf einer, dem Dichtungsträger (14) gegenüberliegenden Flachseite der Membran (20) angeordnet ist.
3. Membran-Elektroden-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die stoffschlüssige Verbindung eine Klebung ist.
4. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Verbindungslage (24) mit einem Klebstoff beschichtet ist, insbesondere eine selbstklebende Folie ist.
5. Membran-Elektroden-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein innerer Rand (32) der Verbindungslage (24) gegenüber einem inneren Rand (34) des Dichtungsträgers (14) mit einem Versatz endet, insbesondere übersteht.
6. Membran-Elektroden-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dichtungsträger (14) eine Perforation (48) aufweist, entlang welcher sich die Dichtung (16) beidseitig des Dichtungsträgers (14) erstreckt, wobei ein erster Teilabschnitt (38) der Dichtung (16) auf einer ersten Flachseite und ein zweiter Teilabschnitt (40) auf einer zweiten Flachseite des Dichtungsträgers (14) angeordnet sind und die beiden
Teilabschnitte (38, 40) durch die Perforation (48) hindurch einstückig miteinander verbunden sind.
7. Brennstoffzelle (50) umfassend eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten (52) und Membran-Elektroden-Anordnungen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Kraftfahrzeug (62) umfassend eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 7.
9. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte:
- Herstellen der Dichtung (16) im Bereich des Dichtungsträgers (14),
- anschließend stoffschlüssiges Verbinden des inneren Randabschnitts (28) der
Verbindungslage (24) mit der Membran-Elektroden-Einheit (12) und des äußeren Randabschnitts (30) der Verbindungslage (24) mit dem Dichtungsträger (14).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Herstellen der Dichtung (16) mittels Anspritzens der Dichtung (16) an den Dichtungsträger (14) realisiert ist.
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